Chain substitution caused sub-fibril level differences in electromechanical structure and property of wild-type and oim/oim collagen fibers

化学 成骨不全 纤维 Ⅰ型胶原 异三聚体G蛋白 生物物理学 胶原纤维 原子力显微镜 纤维发生 结晶学 纳米技术 材料科学 生物化学 解剖 受体 生物 G蛋白 病理 医学
作者
Yao Sun,Tao Li,Qiaomei Sun,Yuan Cheng,Kaiyang Zeng
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:128 (23) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0016535
摘要

Electromechanical changes in type I collagen caused by diseases are pivotal for monitoring bone health and offering informative message of constructing biobased smart devices. Here, we employ a mouse model of osteogenesis imperfecta (oim/oim), which is genetically modified through mutating the α-2 chain to α-1 chain in the collagen fibrils of the wild-type model (+/+ or heterotrimer), resulting in three α-1 chains in the collagen fibrils (i.e., homotrimer). Piezoresponse force microscopy (PFM) is used to directly visualize the sub-micrometer structures and piezoresponses of +/+ and oim/oim collagen fibers. Results show that the compact and highly ordered +/+ collagen fibers possess larger in-plane piezoresponses than the loosely packed and randomly distributed oim/oim collagen fibers. The mean values of the lateral PFM amplitude are 108.53 pm and 77.72 pm with interquartile ranges of 98.56–117.47 pm and 71.21–85.93 pm for +/+ and oim/oim collagen fibers, respectively. Molecular simulations demonstrate that the structural stability and electrically induced activity of heterotrimer are better than those of homotrimer, suggesting better biopiezoelectricity of comprising diverse polar residues (atomic charges) within the oriented heterotrimeric collagen molecular structure. Our study provides a new insight into the functional changes of human osteogenesis imperfecta.
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